徐州轨道交通L1盾构选型的风险分析及配置建议

 徐伟忠，戴慧丽

 [上海城建市政工程（集团）有限公司，上海200065]

摘要：在城市轨道交通建设过程中，盾构机选型的成功与否往往会成为施工成败的决定性因素。针对徐州轨道交通L1的特殊复杂工程条件，分析盾构选型面临的风险并提出适用于徐州地层的盾构选型方案及相关配置建议。着重介绍盾构机选型的基本原则，除了根据盾构隧道设计情况确定盾构直径、管片拼装方式等基本参数外，工程地质条件和水文条件也是盾构机类型选择和性能设计应考虑的主要因素。这可为类似工程条件下盾构机选型提供参考。

  关键词：徐州轨道交通；风险分析；盾构选型；地层适应性

  中图分类号：U231.3  文章编号：1004-4655( 2016) 03-0051-03

 盾构作为城市轨道交通施工的大型专用机械设备，其选型的成功与否，无论是对于盾构施工的技术水平，还是对于盾构施工的成本和效益，均起着举足轻重的关键作用。适用性和可靠性是盾构机选型的基本原则，除了根据盾构隧道设计情况确定盾构直径、管片拼装方式等基本参数外，工程地质条件和水文条件也是盾构机类型选择和性能设计应考虑的主要因素。

 本文针对徐州轨道交通L1的03标西安路站一彭城广场站一文化官站一徐州火车站区间丁程基本情况，对施工过程中所面临的风险进行一一分析，并结合国内类似地层条件下的盾构选型案例，提出本标段的盾构选型建议。

1工程概况

1.1工程地质条件

 徐州轨道交通L1的03标有3个盾构区间。此标段穿越地层条件复杂，西安路站一彭城广场站区间先后在⑤3-3粉质黏土、⑤3-4黏土和14中风化页岩、13中风化泥灰岩中施工；彭城广场站一文化宫站区间隧道地层主要为②6粉砂、⑤4-3黏土和124=3中风化灰岩；文化官站一徐州火车站区间穿越全断面的②4-4和⑤3-4硬黏土地层。区间沿线地质条件复杂，在穿越过程中有多次地层类型的转变，其中彭城广场站一文化宫站区间隧道地质纵剖面图如图1所示，地层的物理力学性质指标见表1。

1.2水文地质条件

 水文地质资料显示，区间地下水类型主要为上层滞水、孔隙水和基岩裂隙水。潜水主要赋存于故黄河两岸阶地冲积形成的粉土、砂土层(②5-2②6)，埋深3.20~5.40 m。基岩裂隙水主要赋存于灰岩溶洞和裂隙中，受岩体破碎程度、节理裂隙发育程度及溶洞大小等控制，水量变化较大，水位埋深为7.00~8.00 m。受地层地下水及周围基岩裂隙水补给，在构造破碎带、节理裂隙密集处汇集，水量较大，具有承压性。

2盾构选型的风险分析

 徐州地区地质条件复杂，盾构选型时必须考虑盾构穿越区间的地层条件及盾构施工过程中所面临的风险，下面分别对几种（基岩裂隙水、硬黏土地层、溶洞、地层软硬不均等4种）典型风险源进行分析。

2.1承压裂隙水发育

 此标段基岩裂隙水主要赋存于寒武系灰岩溶洞和震旦系、青白口系岩层裂隙中，受岩体破碎程度、节理裂隙发育程度及溶洞大小等控制，水量变化较大。受地层地下水及周围基岩裂隙水补给，在构造破碎带、节理裂隙密集处汇集，水量较大，具有承压性。在盾构施工过程中存在喷涌的风险。喷涌的发生不但影响正常施工排土和压力舱压力的控制，严重时会过多地将开挖面和管片四周的土、砂带出，造成地表沉降、塌陷，管片漏水等施工事故。

2.2硬黏土地层

 此标段3个区间均需穿越硬黏土地层，其中⑤3-4层黏土液性指数为0.14<0.25，属于硬塑状态。在此地层中掘进，若土体改良效果不好，则极易发生“糊刀”及“泥饼”现象（见图2）。致使刀盘空转，无法正常切削土体，槽口及出土管道堵塞，推力增大导致地层隆起变形。

2.3岩溶土洞发育

 盾构穿越的灰岩地层均含有岩溶，且较为发育。钻孔见洞率为58.1%。其中洞高>1.0 m的溶洞有10个，最大溶洞洞高约4.9 m。溶洞主要以充填型为主，充填物为硬可塑状褐黄黏土夹灰岩碎块。见洞率高，最大溶洞洞径>2m。盾构穿越溶洞时，容易产生坍塌、涌水现象以及可能发生盾构“磕头”、陷落，对施工安全影响较大。

2.4地层软硬不均

 本标段盾构穿越土石界面、软硬岩界面及溶洞（充填可塑状黏性土）时，地层强度差异大，阻力不均，容易造成盾构姿态控制困难，推进方向偏离设计轴线。同时，易对盾构刀具及螺旋机造成严重磨损（见图3），使得盾构无法推进。

3盾构选型的配置建议

 盾构选型时综合考虑各种因素，选择适宜的盾构机型、设计布置合理刀盘刀具形式，以及配备不同的辅助工法。合理的盾构配置可大大降低施工风险，提高盾构对不同地层的适应性。下面分别对盾构的几项关键配置提出建议，以供徐州轨道交通L1盾构选型参考。

3.1刀盘形式及开口率

 由于此标段先后穿越黏土层、粉砂层、硬黏土与中风化灰岩形成的上软下硬地层以及全断面中风化灰岩层，软土及硬岩同时存在，强度和稳定性变化较大。根据施工经验，盾构机型式推荐选用可同时安装切削刀和滚刀的复合式土压平衡盾构(见图4)。刀盘为辐板式结构，开口率在30%~40%之间，中心开口率保证≥30%。

在刀盘面板沿半径方向均匀布置的添加剂注人口≥5个（可向开挖面注入泡沫及膨润土泥浆）时，建议添加剂注入口均采用单管单泵设计。在刀盘背面设置固定搅拌棒，保证土仓内土体的流动性，避免中心泥饼的产生。同时，在土仓中心配置高压水冲刷装置（见图5），配合搅拌棒的使用。

3.2刀具选型

 由于此标段区间地层变化频繁，既存在粉砂地层，也存在黏土和风化岩层，区间地层变异性较大，建议准备2套刀具配置方案：一套用于黏土和粉砂层（刀具配置以中心鱼尾刀+先行刀+切削刀+仿形刀为主）；一套用于中风化岩层（以滚刀+切刀+周边保护刀为主），灵活配置刀具以适应不同地层。

  建议采用滚刀与先行刀可互换型刀箱，切刀采用250 mm宽的重型刀，减少遇到灰岩段掘进时刀具损坏。滚刀方案为中心布置17寸（1寸≈3.333 cm）双刃滚刀，周边单刃滚刀间距为100 mm，并适当减小滚刀的启动扭矩，避免偏磨现象发生。同时，完善刀具的磨损检测措施，进行有计划的换刀。

3,3螺旋输送机选型

 为了更好地形成土塞效应，建议采用中心轴式螺旋机。配置双闸门防止喷涌，同时应预留土体改良添加剂注入接口和保压泵接口。在施工过程中应密切关注螺旋输送机出口压力及渣土的出土状态，及时在土仓及螺旋机进土口处注入膨润土泥浆或高分子聚合物以提高土体的止水性。

 考虑到螺旋输送机在岩石地层中磨损现象严重，建议在螺旋轴最易磨损的前端叶片上加装复合材料耐磨块。

3.4其他配置

 针对徐州轨道交通存在的溶洞现象，建议配置超前钻孔注浆系统，在盾体设计时考虑完善的超前注浆方案。在必要时可对开挖面前方进行超前注浆进行地质加固。

 建议配置加强型盾尾刷，设计3道尾刷，最后一道尾刷采用外包钢板设计，避免高水压造成的盾构渗漏问题。

 建议配置2台膨润土泵用于渣土改良。2台泵可通过单独管路注入刀盘前部，也可一路注入盾壳外，较大程度减小破碎岩石地层中盾构外壳的摩阻力。

4结语

 复杂地层条件下的盾构选型需要综合考虑地层条件及盾构系统的功能进行合理配置。本文以徐州轨道交通L1的地质条件为例，分析在不同地层条件下盾构选型时需考虑的主要风险因素，提出徐州轨道交通的盾构选型配置建议。

 本文为类似地层情况下的盾构选型及其关键配置提供参考，但实际工程仍需根据具体地层条件、施工技术、工程管理和经济因素等方面进行综合分析，才能确定适应于特定工程条件下的盾构选型方案。